DE2056084C3

DE2056084C3 - Schaltungsanordnung zum Einstellen und Konstanthalten der Drehzahl eines Gleichstrommotors

Info

Publication number: DE2056084C3
Application number: DE2056084A
Authority: DE
Inventors: James Lydell Bacon; George William Van Cleave
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-11-18
Filing date: 1970-11-14
Publication date: 1974-11-21
Also published as: US3568027A; JPS5016482B1; GB1286573A; DE2056084A1; CH517410A; DE2056084B2; FR2071795A5

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zum Einstellen und Konstanthalten der Drehzahl eines konstant erregten Gleichstrommotors, insbesondere eines Kleinmotors, unter Heranziehung der Gegen-EM Y. und des Spannungsabfalls am Ankerwidersland, bestehend aus einer an einer Gleichspannungsquelle liegenden Brückenschaltung mit einer ersten Brückenhälfte, die den Anker und einen Wider stand enthält, einer zweiten Brückenhäifte mit in Reihe geschalteten Widerständen und einem in der Meüdiugonalc angeordneten Regelglied.

Diese Schaltungsanordnung bezweckt eine Yerbilligung der Herstellungskosten und eine Verbesserung des Antriebes von Geräten, bei denen eine schwankende Belastung, eine schwankende Speisespannung und Temperaturänderungen vorliegen Derartige sich auf den Antrieb nachteilig auswirkende Einflüsse treten beispielsweise bei batteriegespeisten Reisediktiergerätcn. Filmgeräten und MngncMongerätcn auf. Aber auch vom Speisenet/ unabhängige tragbare Kleinstrechner oder andere Geräte der Bürotechnik sind davon betroffen. So ändert sich bei einem Magnetbandgerät die Belastung des Motors in Abhängigkeit von der Menge des auf eine Spule gewickelten Bandes. Derartige Geräte haben auch verschiedene wählbare Bandgeschwindigkeiten.

In der Technik wird verhältnismäßig oft die Aufgabe gcsteiit, einen motorischen Antrieb zu bauen, dessen Drehzahl einstellbar und von der Belastung in gewissen Grenzen unabhängig ist und bei dem Helastungsänderungen sowie Spannungs- und Temperatureinflüsse selbsttätig ausgcregelt werden.

Es sind daher Molorstcucr- und -a-gclschallunticn. insbesondere für Gleichstrommotoren, entwickelt worden, die Vorrichtungen zur Drehzahlmessung einschließen und bei denen aus dieser Messung Korrekturgroßen abgeleitet werden. Derartige Meßvorrichtungen enthalten gewöhnlich einen Tachogenerator, dessen erzeugte Spannung als Istwert mit einem Sollwert verglichen wird, wobei dann die sich ergebende Differenz zur Steuerung eines Regelglicdes dient, durch das die Motorerregung, die Speisespannung oder eine

andere, die Drehzahl beeinflussende Grüße geändert L_rd, Derartige Meß- und Regeleinrichtungen sind relativ aufwendig, und sie sind /weekmäßigerweise nur fßi Antriebe größerer Leistung geeignet und nicht für die vorgenannten batteriegespeisten Geräte. Es sind auch eine große Anzahl mechanischer und clektromechanischer Regeleinrichtungen bekanntgeworden, die nach dem Flienkraftprinzip arbeiten, bei denen durch Schaltkontakte oder Widerstände Ströme bzw. Spannungen verändert werden. Diese mechanischen oder elektromechanischen Regler sind nicht genau und zuverlässig, und sie entsprechen nicht immer den gestellten Forderungen. Andere, rein elektronische Scbaltungsanordnungen nutzen die elektromotorische Kraft (Gegen-EMK.) aus, die ein Gleichstrommotor jjn Betrieb entwickelt, um eine Drehzahlregelung zu bewirken.

In bestimmten Fällen sind auch die nachteiligen fcjoflüsse von Temperaturänderungen auf den Motor und oder die Regelanordnung zu kompensieren, welche prehzahländerungen des Motors oder Änderungen in der Charakteristik der Regeleinrichtung bewirken |önnen.

In der Fachzeitschrift »Regelungstechnik«, 6. Jjhr-•ane, 1958, Heft 10, S. 356 bis 358. ist in einem Auiiatz"»Drehzahlregelung eines Gleichstrommotors ohne Tachomaschine« eine Meß- und Regelanordnung befchneben, bei der an Stelle der Drehzahl des Motors die der Drehzahl proportionale elektromotorische Kraft (Gegen-EMK) in einer Brückenschaltung ermittelt wird. Der Istwert dieser Gegen-ΞΜΚ wird mit tinem Sollspannungswert verglichen, und durch die lieh ergebende Differenzspannung wird ein Kegler gesteuert, der dann die Felderregung eines mit dem Jiotor verbundenen Leonardgenerators so ändert oder «inen den Motor speisenden Magnetverstärker si. Iteuert. daß die Drehzahl dem Sollwert entspricht. piese bekannte Brückenschaltung zur Ermittlung der Gegen-EMK besteht aus zwei parallelen, an der Speisespannung liegenden Brückenhälflen. Die eine Brückenlälfte, die den Ankerstrom führt, besteht aus der Reilenschaltung des Ankers und eines Zusatzwiderstandes. Dieser Zusatzwiderstand kann eine Wendepolwicklung des Motors sein. Die andere Brückenhaifte enthält zwei in Reihe geschaltete Widerstände, deren Widerstandswerte so gewählt sind, daß bei stillstehendem Motor die an eine Gleichspannungsquelle gelegte Brücke abgeglichen ist. Wenn sich die Brückenflemente, speziell der Anker und der Zusatzwiderstand, gleichmäßig erwärmen, ist in der Brückenschaltung tine genaue Temperaturkompensation gegeben Es ist tin Nachteil dieser bekannten Drehzahlregeleinrichtung, daß sie einen Regler enthält, der die Felderregung des Leonardgenerators iindert oder den Magnetvcrliarker steuert. Fiine derartige Regelung ist in manchen Anwendungsfällcn zu träge und ungenau und kann zu Pendelungcn führen. Diese bekannte Regeleinrichtung fet bei den eingangs genannten Geräteantrieben aus den vorgenannten Gründen nicht zufriedenstellend geeignet, und außerdem ist sie zu aufwendig.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schaltungsanordnung zur Konstanthaltung de: Drehzahl eines konstant erregten Gleichstrommotors, insbesondere eines Motors mit kleiner Leistung, zu schaffen, die sehr empfindlich, trägh' ilsarm umi sehr genau ist und die zu ihrem Betrieb wenig liieigie benötigt. Eine weitere wesentliche Forderung besteht darin, daß diese Schaltungsanordnung einen sehr ein-

fachen Aufbau mit wenigen Bauelementen aufweist, so daß sie in kompakter Bauweise billig zu fertigen und für die Massenfabrikation geeignet ist, Piese Schaltungsanordnung soll außerdem eine lineare RegelcrmrakterisMk aufweisen, Potentialünderungen seihst ausgleichen und temperaturkompensiert sein. Das heißt, Temperaturänderungen, die auf den Motor und/oder die Schaltungsanordnung einwirken, sollen ohne Auswirkung auf die Drehzahl selbsttätig ausgeglichen werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die erste Brückenhälfte aus der Reihenschaltung des Ankers und eines Stromfühlers, bestehend aus einem Transistor und einem WWeistand, und die zweite Brückenhälfte aus der Reihenschaltung einer Ankernachbildung und eines weiteren Stromfühlers, bestehend aus einem Transistor und einem Widerstand, gebildet ist, daß die Ankernachbildung eine stabilisierte, dem Sollwert der Gegen-EMK entsprechende Bezugsspannung bilde*, und daß ein Differenzverstärker, der auf die miteinander verbundenen Basiseingänge der beiden . ransistoren einwirkt, als Regelglied dient.

Diese Schaltungsanordnung, die in ihrem Aufbau einer Brückenschaltung entspricht, enthält darin eine Fühlanordnung zur indirekten Bestimmung des Ist-Wi-rtu-s der Motordrehzahl, die als Gegen-EMK. des Ankers dargestellt wird, eine Vergleichseinrichtung des Istwertes mit dem Sollwert der Drehzahl und ein die Drehzahlabweichung ausgleichendes Regelglied, das aus einem an die Meßklemmen angeschlossenen Transistor besteht, der als Differenzverstärker wirkt. Diese erfindungsgemäße Schaltungsanordnung basiert auf dem Prinzip, daß bei einer Abweichung der Drehzahl vom Sollwert sich auch die Gegen-F.MK des Ankers ändert, und durch sie wird bewirkt, daß diese Abweichung der Gegen-EMK vom Sollwert durch eine Änderung der Änkerspannung geändert wird, z. B. derart, daß bei einer Erhöhung der Motorbelastung eine höhere Spannung an den Ankerklemmen liegt, obwohl die äußere angelegte Speisespannung sieh nicht ändert. Bei einer Lasländerung am Motor und durch die sich dadurch ergebende Änderung des Ankerstromes in der ersten, den Ankerstrom führenden Brückenhalfte bewirkt die Schaltungsanordnung eine Verschiebung der Spannungen an den Bauelementen dieser ersten Brückenhälfte, derart, daß die Änderung des Spannungsabfalls am Ankcrwidersiand des Motors kompensiert wird, so daß sich wieder die der Solldrehzahl entsprechende Gegen-EMK am Anker des Motors einstellt.

Ausführungsbeispicle der Erfindung werden im folgender, an Hand von Schaltbildern naher beschrieben. Es zeigt

E ig. 1 das Schaltbild eines Ai^fiihrungsbeispieii-s dei Erfindung.

E' i g. 2 bis 4 Anordmiiig'-n zur Einstellung der Solldrehzahl.

Theoretische Gesichtspunkte

Die Grundgedanken der eriirdungsgcmäßen Schaltungsanordnung werden nachstehend an Hand der I- 1 >j I erklärt. Im das Verständnis für den Aufbau und die Wirkungsweise der erlindungsgemäßcn Schallungsanordnung zu erleichtern, wird für das nachstehend erläuietle Atisfühningsheispkl ein Gleichstrommotor mit einem eiscnfreien Anker vorausge-

setzt. Obwohl dem Fachmann Gleichstrommotoren mit eisenfreiem Anker bekannt sind, beispielsweise als Glockenanker oder hohlzylindrische Rotoren mit aufgedruckter Ankerwicklung, sollen sich die nachstehenden Erläuterungen auf einen theoretischen Motor mit idealen Eigenschaften beziehen, denn bei einer derartigen Motorausführung besteht ein lineares Verhältnis zwischen der Drehzahl und dem Drehmoment. Dabei ergeben sich die folgenden einfachen rechnerischen Beziehungen, aus welchen die Zusammenhänge gut zu erkennen sind. Bei Motorankern, die Eisen enthalten, ergeben sich durch die Ankerrückwirkung, die magnetische Sättigung« durch magnetische Streufelder und durch die größere Masse des Ankers kompliziertere rechnerische Beziehungen, in denen die verschiedenen Einflüsse durch entsprechende Korrekturkoeffizienten zu berücksichtigen sind. Dadurch wird die allgemeine Erklärung und die einfache Übersicht erschwert.

Die nachstehend beschriebene Schaltungsanordnung nutzt das lineare Verhältnis von Drehzahl und Drehmoment, das, wie bereits vorstehend erwähnt wurde, bei Gleichstrommotoren mit eisenfreiem Anker gegeben ist. Bei einem derartigen Motor steht dessen Gegen-EMK E und der Motorstrom / zur Klemmenspannung U bekanntlich in folgender Beziehung:

U = E + IRa d)

Dabei hängt das Motordrehmoment M folgendermaßen vom Ankerstrom / ab:

anderen Worten, wenn die Neigung der Kennlinie L' = / (/) gleich dem Wert R₁ ist. ändert sich die Motordrehzahl nicht bei Veränderungen des Drehmomentes.

Daraus folgt, daß die Neigung dir Kennlinie für die Motordrehzahl und das Drehmoment unter konstanten Verhältnissen gleich Null ist, wenn die Klemmenspannung des Ankers so geregelt wird, daß sie den /fi^-Abfall am Ankerwiderstand kompensiert, wenn ίο sich der Strom bei Belastung ändert. Das dynamische Drehmoment-Drehzahl-Verhalten hängt von den Zeitkonstanten der elektrischen Schaltung und der mechanischen Belastung ab. Wenn die Kreisverstärkung ¹^ '

größer ist als der Wert, der benötigt wird, um die Neigung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie gleich Null zu halten, d. h. '-*■ > R_A, wird das System unstabil. Daher ist es erwünscht, eine leicht negative Neigung dieser Kennlinie ',_f < R_A vorzusehen, um die Stabilität sicherzustellen.

Andere Schaltungsanordnungen können zwar auch die Ankerklemmenspannung bei Belastungsänderungen auf konstante Drehzahl regeln, die erfindungsgemäßc Schaltungsanordnung ist jedoch einfach aufgebaut, ihre Wirkung ist reproduzierbar, und sie weist ei>? gutes Verhalten in weiten Temperaturbereichen auf.

M = C, ■ 1.

Beschreibung der Schaltungsanordnung (Fig. 1)

Die Motordrehzahl ft und die Gegen-EMK E stehen bei konstantem magnetischem Fluß Φ, d. h. insbesondere bei konstanter Erregung, zueinander im Verhältnis:

= C₂- n.

Dabei bedeutet U die Ankerklemmspannung des Motors, E die im Anker erzeugte elektromotorische Kraft (Gegen-EMK), / den Ankerstrom des Motors, R_A don Ankerwiderstand des Motors, M das vom Motor erzeugte Drehmoment, η die Drehzahl des Motors, C, die Drehmomentkonstante des Motors und C₂ die Drehzahlkonstante des Motors.

Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, die Motordrehzahl bei veränderlicher Last konstant zu halten. Da die EMK proportional der Drehzahl und der Ankerstrom direkt proportional dem Drehmoment ist, genügt es die EMK bei veränderlichem Strom konstant zu halten. Das läßt sich mathematisch wie folgt ausdrücken:

dE

Mit
wird

also

	ei	*IRa*	el
*E =*	U-	ei
dE	dU
öl	ei
dE	cU
	dl

R Λ

= -r-_ r_{j =} o.

(5) u. (4)

Um die Drehzahl bei veränderlicher Last konstant

zu halten, ergibt sich

cJJ
el

= R,,. Das bedeutet mit Zur späteren Betrachtung der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung sind verschiedene Klemmen darin mit den Buchstaben A bis K bezeichnet. Die erste Brückenhälfte umfaßt den Anker 2, der durch ein Ankerschaltbild 1 und einen davon getrennt gezeichneten Ankerwiderstand 12 dargestellt ist und der mit einem Transistor T₁ und einem Widerstand 13 in Reihe liegt. Der Transistor T₁ stellt Änderungen des Ankerstroms fest, um die Gegen-EMK im Anker 2 konstant zu halten. Die zweite Brückenhälfte umfaßt zwei Transistoren T₂ und T₄ und zwei Widerstände 10 und U in Reihenschaltung, wobei der Transistor T₂ mit dem Transistor T, als Stromfühler zusammenarbeitet und die gewünschte Korrektur in der Schaltung festsetzt, mit welcher der Sollwert der Gegen-EMK im Anker aufrechterhalten wird. Der Transistor T₄ wird von einer am Spannungsteiler 5 abgegriffenen Spannung gesteuert. Außerdem ist er T^r ;1 einer Ankernachbildung 6, um eine Bezugsspannung aufrechtzuerhalten, mit welcher die Gegen-EMK verglichen und auf die sie geregelt wird.

Ein Transistor T₃ dient als aktiver Teil eines Diffe renzverstärkers 8. An den Transistor T₃ ist ein Kon densator 9 angeschlossen, um das Ansprechen dei Schaltung auf Stromänderungen und die fur die er forderliche Korrektur benötigte Zeit zu beeinflussen Die zweite Brückenhälfte mit den Transistoren T und T₄ enthält Bauteile, die mit einem bestimmtci Impedanzverhältnis relativ zu den Teilen ausgewähl sind, die in der ersten Brückenhälfte mit dem Anke in Reihe geschaltet sind. Das gilt besonders für di Widerstände 10 und 11, deren Impedanzen im folgen den mit XR₄ bzw. XR_F bezeichnet werden. Im erste; Zweig liegen als entsprechende Gegenstücke die Widei stände 12 und 13, deren Impedanzen nachfolgend mi R_A bzw. R_F bezeichnet werden. Dadurch soll zum Aus druck kommen, daß die Impedanz XR_A des Widei

(tandes 10 in einem vorgegebenen Verhältnis X zur Impedanz R_A des Widerstandes 12 steht. Dieselben Überlegungen gelten auch Tür die Impedanzen XR_h und Rf der Widerstände 11 und 13. Eine Zenerdiode 15 legt die Bezugsspannung für die Gegen-EMK zwischen den Klemmen A und B fest.

Im Betrieb schwankt der durch die rechte Brückenhälfte mit dem Anker 2 fließende Strom / entsprechend den Belastungsänderungen. Wenn sich der Ankerstrom / während des Betriebes ändert, stellen die Transistoren T₁ und T₂ das fest, bewerten den Ankerstrom / und halten die /R-AbPdIIe in der Schaltungsanordnung sowie die Gegen-EM K im Anker 2 auf einem Wert, der gleich der durch die Einstellung des Spannungsteilers 5 gewählten Bezugsspannung ist, welche zwischen den Klemmen A und B liegt. Somit nehmen die Transistoren T₁ und T₁ den Ankerstrom / dividiert durch X und halten das Ergebnis im Widerstand 10 aufrecht. Wenn ein Strom / durch die rechte Brückenhälfte mit dem Anker 2 fließt, dann fließt in der linken Brückenhälfte mit den Transistoren T₂ und T₄ ein Strom /', der in einem vorbestimmten Verhältnis zum Ankerstrom / steht. Der Strom /' wird wie folgt bestimmt:

i'(XR_F) = /R_F,

R_F-	= U₁₁₀,	+	U_aF + U₁	= 0,
U„o	*- u„_G*			*= Ufo*
U„o	*+ Ufo*
U„o

Bei dem angegebenen Verhältnis zwischen den Strömen / und Γ werden die Spannungen im unteren Teil der Steuerschaltung, die den Stromfühler 3 mit den Transistoren T₁ und T₂ umfaßt, wie folgt bestimmt (O bedeutet Erdklemme):

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Aus diesen Gleichungen ist zu ersehen, daß mit der Tätigkeit des Stromfühlers 3 der Ausgleich verschiedener Spannungen zwischen den Transistoren T₁ und T₂ und verschiedenen Klemmen F, G und H sowie Erde (O) verbunden ist. Die zwischen den Klemmen G und H einerseits und F und G andererseits liegenden Spannungen sind die Basis-Emitterspannungen der Transistoren T₁ und T₂, die im wesentlichen gleich groß sind. Diese Spannungen heben sich in der Gleichung auf, und schließlich gleicht auch die Spannung zwischen der Klemme H gegen Erde (O) die Spannung zwischen dem Anschluß F gegen Erde (O) aus. Der Widerstand 19 dient als Ableitung für den Leckstrom des Transistors T₃ und hat für die Wirkung der Schaltungsanordnung keine Bedeutung. Ebenso spielt für die Schaltungsanordnung die Spannung zwischen den Klemmen D und F keine Rolle.

Der Transistor T₃ ist in der Schaltungsanordnung enthalten, um mit ihm die zwischen den Klemmen D und K liegende Spannung zu steuern und sie so konstant wie möglich zu halten.

Beim Ausgleich der Spannungen im vorstehend beschriebenen Stromfühler3 werden im wesentlichen die Spannungen im unteren Teil der Schaltungsanordnung ausgeglichen. Dadurch wird schließlich ein Ausgleich der Spannungen im oberen Teil der Schaltungsanordnung erreicht, zu welchem der Stromkreis über die Klemmen A, ß, C, D, K, J und schließlich zurück zur Klemme A gehört. Die obere Beziehung oder der Ausgleich der Spannungen wird durch die folgenden Gleichungen wiedergegeben:

- U_ni< -

ab

+ U_M + IR., - U_hei -IR₄-E = O₁

U_AB-E =

U_AB =

Beachte: U_AB = U_Rtr (U_REr = Bezugsspannung).

Wie in den obigen Gleichungen gezeigt wird, findet ein Ausgleich der Spannungen im oberen Teil der Schaltungsanordnung mit der Ankernachbildung 6 und dem Anker 2 statt, den man mit dem Ausgleich der Spannungen im Stromfühler 3 vergleichen kann. Die Spannung zwischen den Klemmen A und ß, welche als Bezugsspannung für die EMK dient, ist bei dem in den Gleichungen gezeigten Ausgleichseffekt unter allen Lastbedingungen gleich der EMK. Das ist wiederum darauf zurückzuführen, daß der Ankerstrom / multipliziert mit dem Wert des Ankerwiderstandes R_A einen Wert ergibt, der gleich dem Strom L multipliziert mit dem Widerstandswert XR_A ist, wobei der Faktor X eine Vervielfachung des Ankerwiderstandswertes R_A darstellt.

Der Spannungsausgleich kann auch wie folgt ausgedrückt werden: Der Spannungsabfall im Versorgungsteil der Basis des Transistors T₄ plus Basis-Emitterspannung des Transistors T₄ plus Spannungsabfall am Widerstand 10 minus Basis-Emitterspannung des Transistors T₃ minus Spannungsabfall am Anker 2 ist gleich Null. Die Basis-Emitterspannungen der Transistoren T₄ und T₃ heben sich praktisch auf, da sie entgegengesetzte Polarität haben und etwa gleich groß sind.

In der oben beschriebenen Anordnung ist die Gegen-EMK des Ankers 2 gleich der durch die Zenerdiode 15 stabilisierten Spannung an der Basis des Transistors T₄, die sehr konstant gehalten werden kann. Also ist die Gegen-EM K des Ankers 2 im wesentlichen gleich dem durch den Spannungsteiler 5 festgelegten Anteil der Zenerspannung. Man kann auch sagen, daß die Spannung zwischen Kollektor und Basis des Transistors T₄ der Gegen-EMK des Ankers 2 entspricht.

Zusammengefaßt ergibt die beschriebene Regelung der Motordrehzahl durch Ausgleich der Spannungen sowohl im oberen als auch im unteren Teil der Schaltungsanordnung, daß die Gegen-EMK des Ankers 2 jederzeit auf der gewünschten Bezugsspannungsgröße gehalten wird, weiche zwischen den Klemmen A und B liegt.

Ein Widerstand zwischen der Klemme C und Erde 0 erscheint in den zuvor erläuterten Spannungsbeziehungen nicht, ist jedoch erforderlich, um die Schaltungsanordnung in Betrieb zu setzen, da der Transistor T₂ unter Einschaltbedingungen nicht leitet. Ohne diesen Widerstand würde im Transistor T

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kein Basisstrom fließen. Dann würden auch die Transistoren 7", und T₁ nicht eingeschaltet werden und die ganze Einrichtung nicht anlaufen. Außerdem legt dieser Widerstand einen Mindest- oder Leerlaufstrom für den Transistor 7₄ zur Stabilisierung seiner Basis-Emitterspannung U_bFi fest.

"Temperaturkompensation

Ein wesentlicher Vorteil der beschriebenen Schaltungsanordnung liegt in der damit verbundenen Temperaturkompensation, die hauptsächlich auf Grund des Spannungsausgleiches erzielt wird.

Die während des Betriebes auftretende Temperatur beeinflußt hauptsächlich die Basis-Emitterspannungen der Transistoren T₃ und T₄. wobei eine bezüglich der Temperatur stabile Bezugsspannung angenommen wird. Wie bereits in den vorangehenden Gleichungen gezeigt wurde, haben diese Spannungen den gleichen Wert und entgegengesetzte Polarität und kompensieren sich deshalb beim Betrieb der Schaltungsanordnung.

(V = U_M.

_AB

χ^[Λ

- IR , -E = O.

In den obigen Gleichungen ist die Spannung l*_HC gleich der Basis-Emitterspannung U_bei des Transistors T₄, während die Spannung U_DK gleich der Basis-Emitterspannung U_be3 des Transistors T₃ ist. Wie schon mehrfach ausgeführt, sind diese Spannungen gleich groß und von entgegengesetzter Polarität, heben sich also auf. Wie ebenfalls bereits gezeigt wurde, heben sich auch die Spannungen an den Widerständen 10 und 12 auf und erreichen somit einen ausgeglichenen Zustand, wobei die Bezugsspannung zwischen den Klemmen A und B gleich der Gegen-EMK des Motors ist.

Für den unteren Teil der Schaltungsanordnung mit den Transistoren T₁ und T₁ gelten die folgenden Beziehungen :

υ_αΡ = υ_Μ.

IR_F + U_G„ - U_GF - ^iXR_F) = O.

Ucn = Uc

Die Spannungen an den Widerständen R_F und XR_r heben sich, wie bereits gesagt, gegenseitig auf. Die Änderungen der Basis-Emitterspannung U₆,., des Transistors Γ, sind gleich und von entgegengesetzter Polarität derjenigen des Transistors T₁. Sie heben sich also ebenfalls auf und halten dadurch bezüglich der Temperatur die Stabilität im unteren Teil der Schaltungsanordnung aufrecht.

Anordnungen zur Einstellung der Bezugsspannung

Die F i g. 2 bis 4 zeigen mehrere Anordnungen zur Einstellung der Bezugsspannung zwischen den Klemmen A und B.

Mit der in Fig. 2 gezeigten Schallung können zwei Bczugsspanrningsstellungen in der Schaltung nach F i g. 1 für zwei entsprechende Motordrehzahlen vorgenommen werden. Die Schaltung umfaßt einen Schalter 20 mit zwei Schaltstellungen. Wenn der Schalter 20 eingeschaltet ist. wird die ganze von der Zenerdiode 15 gelieferte Spannung über das Potentiometer 22 an die Steuerstrecke des Transistors 7"₄ gegeben. Ist der Schalter 20 ausgeschaltet, so wird nur

ίο die Hälfte der von der Zenerdiode 15 gelieferten Spannung an das Potentiometer 22 gegeben. Somit beträgt die Kollektor-Basisspannung fur den Transistor T₄ zwischen den Klemmen A und B bei dieser Schalterstellung die Hälfte der Spannung bei eingeschaltetem

"5 Schalter 20. wodurch die Motordrehzahl auf die Hälfte z. B. der Nenndrehzahl festgelegt wird.

F i g. 3 zeigt eine Anordnung, in welcher zwei Spannungsteiler 25 und 26 wahlweise durch entsprechende Stellung eines Umschalters 27 angeschlossen werden. Die Abgriffe der Spannungsteiler 25 und 26 sind auf verschiedene Motordrehzahlen einstellbar. Je nach Stellung des Schalters 27 wird die eine oder die andere Motordrehzahl vorgegeben.

F i g. 4 zeigt eine weitere mögliche Anordnung zur

Festlegung einer gewünschten Bezugsspannung zwischen den Klemmen ,4 und ß. In dieser Schaltung ist der Transistor T₄ enthalten, dessen Basis über ein Potentiometer 30 in Reihe mit einem zweiten Potentio meter 31 an die Klemme A geschlossen ist. Die Zener-

yo diode 15 liefert eine stabile Bezugsspannung. Wenn angenommen wird, daß das Potentiometer^ sich stetig linear von einem Endwert seines Bereiches zum anderen Endwert bewegt, so ändert sich das an der Basis des Transistors T₄ verfügbare Potential ebenfalls

linear und liefert dadurch eine Bezugsspannung für die in F i g. 1 gezeigte Schaltungsanordnung, die eine lineare Änderung der Motordrehzahl wahrend derjenigen Zeit liefert, die erforderlich ist. um das Potentiometer 30 über seinen ganzen StellbercHi zu bewegen.

An die Basis des Transistors T₄ kann auch eine Leitung 35 gelegt werden, wodurch ein hyperbolischer Verlauf der durch das Potentiometer 30 festgelegten Steuerung möglich ist. Dann ändert sich also sowohl die Bezugsspannung zwischen den Klemmen A und B als auch die zugehörige Motordrehzahl hyperbolisch. Die beiden anderen Potentiometer legen die oberen und unteren Grenzwerte Tür die Drehzahleinstcllung fest.

__o Arbeitsweise der Schaltungsanordnung

Die Arbeitsweise der in Fig. 1 gezeigten Schaltungsanordnung beim Wechsel von Nenn-*zu Höchstlast oder in entgegengesetzter Richtung von Nennlast zu Unterlast wird nachstehend beschrieben. Die Schaltungsanordnung soll die Motordrehzahl z. B. innerhalb von ± 1% des Sollwertes halten.

Wenn die Motorbelastung an der Welle durch einen Anstieg des Drehmomentes\-ächst, Fällt die Drehzahl ab, und der Ankerstrom / steigt an. Dadurch wird der Strom in der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors T₁ und damit auch in dessen Basis-Emitter-Strecke hochgetrieben. Auf Grund des Stromanstieges nimmt auch die Spannung von Klemme H gegen~Erde zu. Da die Basis-Emitter-Spannung U_be beiden verwendeten Transistoren Für kleine Stromänderunecn annähernd konstant ist, nimmt die Spannung von Klemme G gegen Erde um denselben Betrag zu wie die Spannung von Klemme H gegen r_rdc.

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Fiii kleine Stromändcrungen ist auch die Basislimitler-Spannung l;_p2 von Transistor 7 . eine Konstante, und somit nimm/ die Spannung von Klemme /·' gejien Erde um denselben Betrag /u wie von den Klemmen 0 und // gegen Knie. Dadurch steigt der Strom im Transistor T₁ entsprechend dem Stromanstieg im Transistor T₁ an. und /war um .i'eiui.i denselben Prozentsatz, wobei die tatsächliche Größe des Stromes durch das Verhältnis /wischen den Widerstandswerten K, und \R₁..also .Y.dividiert wird. Wenn der Ankcrslroin ansteigt, steigt sofort auch der ohmsche Spannungsabfall am Ankeiwiderstand 12 an. Die Klemmenspannung zwischen A und K am Anker bleibt für etwa 10 msec konstant, da noch keine Reaktion zur Erhöhung erfolgt ist. Der obmsche Spannungsabfall wird jedoch sofort erhöht, wenn der Strom I im Anker und im Transistor T₁ zunimmt. Somit hat der Spannungsabfall zwischen den Klemmen ./ und K zugenommen. Da die äußere Klemmenspannung konstant geblieben ist. muß die Gegen-IIIK um denselben Spannungswert abfallen, um den die Spannung zwischen den Klemmen .7 und K ansteigt. Wenn der Strom im Transistor T₁ zunimmt, steigt der Strom im Transistor T₂ um den gleichen Prozentsatz, jedoch eine Kleinigkeit später, an. Daher wächst der Spannungsabfall zwischen den Klemmen C und D am Widerstand .YR₁ um denselben Betrag, um den die Spannung im Ankerwiderstand 12 zwischen den Klemmen ./ und K ansteigt.

Da die Spannung zwischen den Klemmen A und Γ konstant ist. fallt zu diesem Zeitpunkt das Potential an Klemme D um denselben Betrag ab. wie der Spannungsabfall zwischen den Klemmen J und K wächst. Die Klemmenspannung zwischen den Klemmen A und K ist in diesem Zeitpunkt um den Abfall erhöht worden, der zwischen den Klemmen ./ und K auftrat, und auf Grund des Ansteigens zwischen den Klemmen .1 und K kehrt die Gcgen-FMK des Motors auf ihren Lirsprungs wert zurück. Wenn die Schaltungsanordnung also eine Änderung des Belastungsdrehmomentes feststellt, beginnt sie augenblicklich, die Motordrehzahl zu verändern. Ändert sich die Drehzahl, so ändert sich auch der Ankerstrom auf Grund der sich ändernden EMK. Die Schaltungsanordnung stellt jedoch den veränderten Strom fest und regelt innerhalb weniger Millisekunden die Klemmenspannung nach, um die HMK und die Drehzahl auf ihre Ursprungswerte zurückzubringen. Dieser übergang, das heißt die zugehörige Erholungszeit, wird bestimmt durch den Wert des Kondensators 9. der z.wischen der Basis des Transistors T₁ und der Basis des Transistors T₂ angeordnet ist.

Es wird noch bemerkt, daß die Drehzahländerung Dicht sofort erfolgt, sondern mit einer bestimmten Übergangszeit. Die Reaktionszeit der Schaltung ist daher rasch aenue. um erößerc Dreh/ahländerunsen wegen IHehmomentschwanklingen i" den meisten E'iiUen zu verhindern.

Wenn das Drehmoment an der Motorwelle abnimmt, steigt die Drehzahl sofort an. und der Ankers strom beginnt zu fallen. Der Spannungsabfall zwischen den Klemmen ./ und K beginnt auch zu fallen. Die Klemmenspannung z.vischen den ülemmen .1 und K konnte sich noch nicht verändern, und der sinkende ohmsche Spannungsabfall wird zur Geeen-EMK des

,ο Motors addiert. Wenn der Strom sinkt, lallt auch der Kollektorstrom des Transistors 7",. Die Spannung z.wischen Klemme // und Erde nimmt ebenfalls ab. demzufolge auch die Spannungen zwischen den Klemmen G und F und Erde, und der Strom im Transistor T₂

κ fällt um denselben Prozentsatz wie der Strom im Transistor T₁. Der Spannungsabfall pm Widerstand 10 nimmt daher von seinem Anfangswert bei Nennlast ebenfalls ab auf einen reduzierten Wert, welcher dem verminderten Kollektorstrom des Transistors T₁ entspricht. Daher steigt auch das Potential an Klemme D an. das Potential an Klemme E ebenfalls und die Spannurg zwischen den Klemmen A und K fällt mti denselben Betrag ab wie der Spannungsabfall am Widerstand 12. Das E'inregulieren der Klcmmenspannung erniedrigt die Gegcn-E.MK genau auf den Wert, den sie vor der Verminderung des Mo'orslroms hatte, und die Drehzahl kehrt auf ihren Nennwert zurück.

Reaktionszeit der Schaltungsanordnung

Die Große des Kondensators 9 hängt von der Motorleistung sowie von der dynamischen Charakteristik der Schaltungsanordnung ab. Dabei wird ver-

}> sucht, die dynamischen Verhältnisse der mechanischen Einrichtung durch die Reaktionszeit der Schaltungsanordnung auszubleichen, um eine Tiber- oder I 'ntersteuerung zm vermeiden. w*nn die Drehzahl auf ihren Normalwcrt zurückkehrt. Wenn der Wert des Kondensators nicht richtig gewählt ist. kann die Regelung übersteuert werden und über die Solldrehzahl hinausschwingen und diese dann wieder von det anderen i>eite her erreichen, oder sie ka> .n unterstcuert werden und dann die Solldrehzahl zu langsam wieder errei-

₄s chen. Der Kondensator 9 ist lediglich Tür die dynamische Charakteristik des Antriebes vorgesehen und spielt bei der Arbeitsweise der Schaltungsanordnung sonst keine Rolle. Er bietet insofern einen ■ 'lsätzhchen Vorteil, als er Kommutierungsstromspazcn u.dgl.

ausgleicht, die im Ankerstrom auftreten. Der Kondensator wirkt als Filter und gestattet der Schaltungsanordnung, den Motorstrom auf einem Durchschnittswert zu halten und nicht momentanen Änderungen zu folgen. Der Kondensator dient somit zwei Zwecken:

₅c Dämpfung der Schaltungsanordnung und Ausfihcrung von Störspannungen oder -strömen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Ginstellen und Konstanthalten der Drehzahl eines konstant erregten Gleichstrommotors, insbesondere eines s Kleinmotors, unter Heranziehung der Gegen-EM K und des Spannungsabfalls am Ankerwiderstand, bestehend aus einer an einer Gleichspannungsquelle liegenden Brückenschaltung mit einer ersten Brükkenhälfte, die den Anker und einen Widerstand !o enthält, einer zweiten Brückenhälfte mit in Reihe geschalteten Widerständen und einem in der Meßdiagonale angeordneten Rege]glied, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Brückenhälfte aus der Reihenschaltung des Ankers (2) und eines Stromluhlers, bestehend aus einem Transistor (T,) und einem Widerstand (13), und die zweite Brückenbälfte aus der Reihenschaltung einer Ankernachbildung (6) und eines weiteren StromfiJhlers, bestehend aus einem Transistor (T₂) und einem Widerstand (ti), gebildet ist. daß die Ankernachbildung (6) eine stabilisierte, dem Sollwert der Gegen-EMK entsprechende Bezugsspannung bildet und d::ß ein Differenzverstärker^), der auf die miteinander verbundenen Basiseingänge der beiden Transistoren (T₁. T₂) einwirkt, als Regelglied dient.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß die Ankernachbildung (6) aus der Reihenschaltung eines einseitig an einer Klemme (A) der Gleichspannungsquelle liegenden Transistors (T₄.) und eines den Anker- »pannungsabfall nachbilden.';n Widerstandes (10) besteht und daß die Bisis dieses Transistors (T₄) mit einer Bezugsgleit-hspannucgsquelle (5. 15) verbunden ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnci, daß die Transistoren (T₁. T₂) der Stromfühler (3) an die Meßklemmen (K. D) der Brückenschaltung angeschlossen sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch I. 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (8) einen Transistor (T,) aufweist, der zwischen der Meßklemme (A') der ersten Brückcntiälfte und den Basiseingängen der Transistoren (T₁. T₂) der Stromfühler (3) liegt und dessen Basis mit der Meßklemme (D) der /weiten Brückenhälftc verbunden ist. und daß ein Widerstand (19) zwiichcn den Basiscingängen der Transistoren (T₁. T,) der Stiomfühlcr (3) und der diesen zugeordneten Klemme (O) der Gleichspannungsqucllc angeordnet ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (T₄) in der Ankernachbildung (6) und der Transistor (T,) im Differenzverstärker (8) in ihren Werten so gewählt und angeordnet sind, daß sich ihre Basis-I niitterspannungcn kompensieren.

6. Schallungsanordnung nach Anspruch 2. 4 oder 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugs- <*> gleichspannungsquelle (5. 15) in der Ankernachbildung (6) wenigstens einen zu einer Zenerdiodc (15) parallclgeschaltctcn einstellbaren Spannungsteiler (5) enthält, dessen Abgriff (ß) mit der Basis des Transistors (T₄) in der Ankcrnachbildung (6) f\s verbunden ist, und daß diese Parallelschaltung einerseits mit der ankemachbildungsseitigen Klemme (A) und andererseits über einen Widerstand mit der anderen Klemme (0) der Gleichspannungsquelle verbunden ist.

7 Schaltungsanordnung nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsgleichspannungsquelle zwei zur Zenerdiode (15) paralleleschaltete, einstellbare Spannungsteiler (25.26| enthalt, deren Abgriffe wahlweise durch einen Schaltet (27)'mit der Basis des Transistors (T₄) in der Ankernachbildung (6) verbindbar sind (F i g 3).

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß die bezugsglcieh spannungsquelle eine Zenerdiode (15) und eim mebrgliedrige Spannungsteilerschaltung umfaßt die wenigstens ein einstellbares Potentiometer (22 30) enthält und deren Einstellbereiche stufenweise odT kontinuierlich wählbar sind (Fig. 2 und 4|

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, da L zwischen den Basiseingang des Transistors (T₁) im Differenzverstärker (8) und die ba^scingänge der Transistoren (T₁. T-.) der Stromfühler (3) ein Kondensator (9) Beschallet ist.